Studi Numerik dan Eksperimen Prediksi Peningkatan Hambatan Gesek pada Lambung Kapal akibat Kekasaran

Hakim, Muhammad Luqman (2021) Studi Numerik dan Eksperimen Prediksi Peningkatan Hambatan Gesek pada Lambung Kapal akibat Kekasaran. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 04111860010002-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2023. Download (21MB) | Request a copy

Abstract

Biofouling dapat menyebabkan permukaan lambung kapal menjadi kasar, dimana kekasaran permukaan tersebut dapat meningkatkan hambatan gesek lambung kapal ketika berlayar (melewati fluida). Peningkatan hambatan gesek tersebut dapat menyebabkan kecepatan kapal menurun dan waktu tempuh menjadi bertambah. Akibatnya, kebutuhan bahan bakar yang dikonsumsi menjadi lebih banyak dari yang seharusnya dan ini menyebabkan emisi berlebih dilepas ke udara. Mencegah pemborosan energi dengan memprediksi dampak biofouling lebih awal adalah penting untuk mencegah kerusakan lingkungan dan kerugian ekonomi. Namun, metode untuk memprediksi peningkatan hambatan gesek akibat biofouling masih memiliki beberapa tantangan. Metode tersebut dapat berupa pengukuran langsung skala lapangan, pengujian skala laboratorium, simulasi numerik, dan atau perhitungan empiris. Tantangan tersebut terkait dengan biaya, kesulitan, dan akurasi dari prediksinya. Terlebih lagi, metode tersebut masih menganggap biofouling tumbuh secara homogen, padahal biofouling tumbuh secara acak atau tidak homogen, sehingga dibutuhkan penyempurnaan pada metode empiris yang ada, karena metode empiris adalah metode yang paling murah, mudah, dan cepat, serta cocok digunakan bagi kalangan industri.
Penelitian disertasi ini mencoba menyempurnakan metode prediksi peningkatan hambatan gesek akibat kekasaran biofouling termasuk yang tidak homogen dengan metode simulasi numerik Computational Fluid Dynamics (CFD) dan pengujian eksperimen towing tank, serta analisis data dengan metode optimalisasi dan Design of Experiment (DoE). Pemodelan kekasaran pada simulasi CFD dengan metode geometrically resolved dan modified wall-function, sedangkan pada eksperimen menggunakan kertas gosok amplas (sandpaper). Hasil simulasi CFD dan eksperimen towing tank, serta perhitungan empiris dianalisis menggunakan metode optimalisasi, DoE, regresi linier dan non linier, serta analisis varian.
Penelitian ini memperoleh beberapa hasil. Pertama, studi simulasi CFD berbasis RANS untuk pemodelan kekasaran dengan geometrically resolved dapat memprediksi nilai k_s (tinggi kekasaran ekuivalen butiran pasir) dan prediksi peningkatan hambatan gesek (ΔC_F) dari kekasaran lambung kapal yang baru dibersihkan dan dicat ulang. Kedua, simulasi dengan model kekasaran modified wall-function mendapati bahwa pada model dengan lambung kapal, ΔC_F dapat mencapai lebih dari 100% untuk kondisi kekasaran k_s = 10000 µm. Ketiga, simulasi dengan kekasaran tidak homogen pada model plat datar didapati bahwa nilai kekasaran pada daerah depan (haluan) memiliki efek terbesar dengan porsi 29.7%, kemudian bagian tengah (midship) 24.3%, dan bagian belakang (buritan) 23.1% terhadap nilai ΔC_F, sehingga nilai kekasaran tidak homogen yang sebenarnya (k_(s;i;p)) tidak sama, bahkan lebih kecil dengan nilainya jika mereka dirata-rata (k_(s;i;a)). Keempat, hasil analisis ΔC_F akibat kekasaran tidak homogen dari eksperimen cukup berbeda dengan hasil CFD, yang diduga terjadi karena fenomena overshoot atau undershoot hasil dari perubahan nilai kekasaran yang mendadak berubah dari rendah ke tinggi (overshoot) atau tinggi ke rendah (undershoot) yang disimulasikan CFD berbasis RANS terjadi kurang ekstrim. Kelima, faktor bentuk lambung kapal yang diwakili oleh L/B, CB, dan LCB tidak berpengaruh terhadap nilai ΔC_F akibat kekasaran. Terakhir, dua formula empiris alternatif untuk memprediksi ΔC_F akibat kekasaran telah dikembangkan pada penelitian ini, dimana yang pertama dapat digunakan jika kekasarannya menggunakan fungsi kekasaran dari tipe kelompok Nikuradse, sedangkan formula yang kedua dapat digunakan untuk semua fungsi kekasaran dengan toleransi kesalahan (eror) yang cukup bisa diterima. Dengan hasil studi dan pengembangan formula alternatif ini, diharapkan dapat membantu pemilik atau operator kapal untuk merencanakan dan mengatur penggunaan energi di kapal menjadi lebih efisien terutama yang terkait dengan kebersihan lambung kapal dari biofouling. Dengan demikian, kerugian-kerugian akibat biofouling akan dapat diminimalisir dan armada yang ramah lingkungan dapat terwujud.
======================================================================================================
Biofouling can cause the ship hull surface to become rough, where the surface roughness can increase the frictional resistance of the ship’s hull when sailing (passing fluids). The increase in frictional resistance can cause the ship's speed to decrease and travel time to increase. As a result, the need for fuel is consumed to be more than it should be and this causes excess emissions to be released into the air. Preventing energy wastage by predicting the impact of biofouling in advance is important to prevent environmental damage and economic loss. However, the method for predicting the increase in frictional resistance due to biofouling still has some challenges. These methods can be in the form of the in-situ measurements, laboratory-scale testing, numerical simulations, and or empirical calculations. These challenges are related to the cost, difficulty, and accuracy of the predictions. Moreover, the method still assumes that biofouling grows homogeneously, even though biofouling grows randomly or not homogeneously, Therefore, the improvements are needed to the existing empirical methods because the empirical method is the cheapest, easiest, and fastest method, and it is suitable for industrial use.
This dissertation research tries to improve the prediction method of increasing frictional resistance due to the roughness of biofouling, including the non-homogeneous one using the computational fluid dynamics (CFD) numerical simulation method and towing tank experimental testing, as well as data analysis using optimization and design of experiment (DoE) methods. Roughness modeling in CFD simulation was geometrically resolved and modified wall-function, while in the experiment, sandpaper was used. The results of CFD simulation and towing tank experiments, as well as empirical calculations were analyzed using optimization methods, DoE, linear and non-linear regression, and analysis of variance.
This study obtained several results. The first, a RANS-based CFD simulation study for geometrically resolved roughness modeling can predict the value of k_s (sand grain equivalent roughness height) and the increase in frictional resistance (ΔC_F) of the newly cleaned and repainted hull roughness. The second, the simulation using the modified wall-function found that in the hull model, ΔC_F can reach more than 100% for roughness conditions k_s = 10000 µm. The third, the simulation with inhomogeneous roughness on the flat plate model found that the roughness value in the front (bow) area has the largest effect with a portion of 29.7%, then the middle (midship) 24.3%, and the after (the stern) 23.1% to the value of ΔC_F, so that the true non-homogeneous roughness value (k_(s;i;p)) is not the same, even smaller than its value if they are averaged (k_(s;i;a)). The fourth, the results of ΔC_F analysis due to inhomogeneous roughness from the experiment are quite different to the CFD results, which are thought to occur due to the overshoot or undershoot phenomena resulting from changes in roughness values that suddenly change from low to high (overshoot) or high to low (undershoot) simulated by RANS-based CFD occurs less extreme. The fifth, the hull form factor represented by L/B, CB, and LCB has no effect on the value of ΔC_F due to roughness. The finally, two alternative empirical formulas for predicting ΔC_F due to roughness have been developed in this study, where the first can be used if the roughness uses a roughness function of the Nikuradse group type, while the second formula can be used for all roughness functions with an acceptable error tolerance. With the results of the study and development of this alternative formula, it is hoped that it can help ship owners or operators to plan and regulate energy use on ships to be more efficient, especially those related to the cleanliness of the ship's hull from biofouling. Thus, losses due to biofouling will be minimized and an environmentally friendly fleet can be realized.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	biofouling, penghematan energi, hambatan gesek, kekasaran, hidrodinamika kapal, biofouling, energy savings, friction resistance, roughness, ship hydrodynamics
Subjects:	V Naval Science > VM Naval architecture. Shipbuilding. Marine engineering > VM161 Ships--Hydrodynamics V Naval Science > VM Naval architecture. Shipbuilding. Marine engineering > VM751 Resistance and propulsion of ships
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Naval Architecture and Shipbuilding Engineering > 36001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Muhammad Luqman Hakim
Date Deposited:	01 Sep 2021 05:38
Last Modified:	01 Sep 2021 05:38
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/90856

Actions (login required)

View Item